可再生能源配額制下的電力市場優化策略研究

劉文君，張莉芳

(南華大學 核能與經濟管理研究中心，湖南 衡陽 421001)

為了降低不可再生能源消費帶來的大氣環境影響，推動生態文明和美麗中國建設，政府大力發展可再生能源，主要實施可再生能源強制上網和固定電價政策。然而產業急劇發展所帶來的是上網補貼資金缺口的加速膨脹，國家財政負擔壓力的急劇增大[1]，這迫使我國將能源政策轉向可再生能源配額制[2]。配額制的實施會對電力市場產生極大的影響，由此衍生出的綠色證書交易市場與電力市場有效融合是當前發電行業調整電源結構工作面臨的新挑戰。因此，研究綠色證書交易對電力市場的影響機理和耦合效應，并提出切實可行的政策實施建議具有十分重要的意義。為了確保可再生能源配額制的成功實施，需要回答三個問題：第一，綠色證書交易市場的運行機制是什么？第二，綠色證書交易對電力市場的影響機理是什么？第三，綠色證書交易市場與電力市場的耦合作用是如何生發的？于是，本文構建了綠色證書和電力交互市場的系統動力學模型，探討了綠色證書交易市場運行機制以及對電力市場的影響機理和耦合效應。

一 文獻綜述

當前，國內外學者對可再生能源配額制尚未進行統一和嚴格的界定，其通常包括可再生能源配額制和綠色證書交易[3]。可再生能源配額制是一個國家或者一個地區的政府在法律法規中對可再生能源發電的市場份額做出的強制性規定。綠色證書是將可再生能源配額形成的可再生能源發電量證券化，并借此構建基于市場的可再生能源電力供求機制和市場交易體系[4]。

國內外學者對固定電價政策與可再生能源配額制政策的對比研究比較深入。國外學者在總結各個國家制度實施經驗的基礎上探討了兩種制度在不同環境下的可行性。Ingmar Ritzenhofen等(2016)研究了可再生能源配額制和固定電價政策對電力市場結構的影響[5]。在此基礎上，Gobong Choi等[6](2018)選用收益成本比和凈現值兩個指標分別從政府和能源生產商的角度出發，對比分析了固定電價政策和可再生能源配額制對韓國可再生能源市場經濟效率的影響。除此之外，一部分學者集中研究分析了可再生能源配額制及電力市場和碳減排之間的關系。其中Zuo Yi等(2019)使用多區域電力優化模型與分解方法相結合，定量評估了可再生能源配額制和碳減排上限對中國電力行業的影響，結果表明合理的電力系統規劃與當前政策組合狀況之間存在強大的內部聯系[7]。國內學者對固定電價政策與可再生能源配額制的研究相對較少，加之缺少必要的基礎數據，大多數研究僅停留在定性分析層面。其中梁鈺等(2018)從政策制定、政策影響和政策效果三個角度對固定電價政策和可再生能源配額制進行全面的對比分析[8]。付姍璐(2008)通過研究發現可再生能源配額制能夠有效解決可再生能源電力的供應問題，而固定電價政策則可解決可再生能源電力的需求問題，在此基礎上提出了配額制與固定電價的互補模式[9]。

可再生能源配額制的實施會對可再生能源產業、電力市場和經濟市場產生巨大的影響。一方面，可再生能源配額制的實施會對可再生能源產業的發展產生影響，學者Sun(2016)通過建立兩階段模型，并基于可再生能源配額制對可再生能源發電產業發展的影響進行了研究，發現政策的實施不僅會促進可再生能源產業的發展，還會對上網電價產生影響，但是可再生能源配額比例的增長不會造成電力價格的大幅度增長[10]。另一方面，可再生能源配額制的實施會激勵煤電廠商和可再生能源發電廠商進行技術創新減少生產成本，促使整個市場達到一定的環境目標，從而減少政府干預。董力通(2006)結合相關理論利用成本效益分析法分別從可再生能源企業和社會兩個角度對實行可再生能源配額制進行成本效益實證分析,研究發現可再生能源配額制的實施不僅會顯著增加可再生能源發電企業的效益，而且能夠提高社會的整體效益[11]。Galen Barbose等(2015)從碳減排、人類健康效益、經濟發展水平和電價平衡等潛在社會效益的角度出發，對美國實施的可再生能源配額制政策進行了成本和收益分析[12]。

借鑒國外實施配額制的經驗，部分學者分析了我國實施該政策的可行性，探討了綠色證書交易制度設計中可再生能源發展的總量目標，綠色證書交易的定價機制以及相關的法律法規和配套實施政策等，并且就相關內容做出了明確界定，提出了可再生能源配額制的制度設計框架及實施步驟。由于之前售電側尚未開放，所以國內前期關于可再生能源配額制的研究主要是圍繞發電側展開的，其中董福貴和時磊(2019)在發電側設計了一種保證綠色證書交易供需平衡的可再生能源配額交易機制，為解決可再生能源消納等問題提供了相關思路[13]。隨著新一輪電力改革的不斷推進，售電側有序放開，相關研究也逐步深入，其中馮奕等(2017)從售電側角度研究可再生能源配額制，在對現有五個國家和地區在售電側實施可再生能源配額制相關經驗進行總結的基礎上，設計出了適合我國實際情況的售電側可再生能源配額制發展框架[14]。制度的頂層設計雖然重要，但是配額指標的合理性和公正性也是可再生能源配額制穩定實施的前提，針對此問題，Wang hongye等(2019)分別通過最小成本法和熵權法進行研究，制定了各省可再生能源配額目標分配方案[15]。此外，還有一些學者認為可再生能源配額制和碳排放權交易存在政策上的交集，因此在制度設計時應該將這兩種政策均考慮在內，統籌規劃。

二 模 型

探究可再生能源配額制對中國電力市場的影響機理，系統動力學是最有力的分析工具。系統動力學原理是系統思考和反饋控制理論，有助于理解復雜系統的時變行為。通過分析系統中各個元素之間復雜的關系，建立一個相對有效的系統動力學模型，從而達到期望的比例和滿足設定的要求。由于適合高度非線性、高階次、多變量、因果反饋和復雜時變系統問題等的研究，近些年來常被學者用于具有長期性、周期性、低精度要求和動態復雜性的社會經濟系統的分析和研究。

可再生能源配額制的實施在電力市場的基礎上衍生出了綠色證書交易市場。煤電廠商和可再生能源廠商在電力市場是競爭關系，在綠色證書交易市場上是供給關系。可再生能源廠商作為可再生能源電力的生產者和綠色證書的供給者，享有制度優勢，處于領導者地位，能夠通過控制可再生能源發電量來改變綠色證書的供給量，從而改變綠色證書價格。煤電廠商為了完成政府規定的強制性配額比例需要在市場上購買綠色證書，面對未完成任務的高額罰金，處于制度劣勢，屬于市場上的追隨者。由此可知可再生能源廠商和煤電廠商的行為模式構成了斯坦科爾伯格模型。

(一)運行機制

在電力和綠色證書交互市場中，煤電廠商和可再生能源廠商都需要承擔一定的可再生能源配額比例，可再生能源廠商作為綠色證書的供給者，同時，煤電廠商作為綠色證書的需求者。發電廠商在綠色證書交易市場上根據綠色證書基準價格、可再生能源配額比例和罰金等參數確定期望的綠色證書購買量和銷售量。然后在市場上進行交易，市場均衡時獲得綠色證書的市場價格和交易數量。此時電力市場也達到了均衡，不僅可以得出兩類發電廠商各自的發電量、總供電量和電力價格，還可以根據發電廠商的利潤函數計算出所獲得的利潤。如果綠色證書的市場價格高于基準價格，可再生能源廠商將會獲得超額利潤，投資者會加大對可再生能源產業的投資，促使可再生能源裝機容量增加，最終導致綠色證書供給增加，從而影響下一次交易的價格。廠商根據綠色證書市場價格的變化決定是否追加投資，投資金額的變化會影響可再生能源電力裝機容量，改變廠商對綠色證書的供需，從而決定綠色證書的均衡價格和均衡數量，見圖1。

圖1 可再生能源配額制下的中國電力市場研究框架

(二)模型設計

電力市場中，發電廠商由于生產技術的不同，可以分為兩類，分別是煤電廠商和可再生能源廠商。在資源有限的約束下，發電廠商通過制定戰略，積極參與市場競爭，從而達到企業自身利潤最大化。可再生能源配額制的實施，在電力市場的基礎上衍生出了綠色證書交易市場。首先在電力市場上兩類發電廠商根據消費者對電力的需求量來決定其發電量，然后在綠色證書交易市場上可再生能源廠商是綠色證書的供給者，煤電廠商是綠色證書的需求者，發電廠商能夠根據自身的需求在市場上進行交易。為了更好地對電力市場和綠色證書交易市場的相關參數進行設定以及對發電廠商的行為決策進行研究，本文做出以下假設：

(1)電力市場和綠色證書交易市場都是完全競爭市場，即市場中的參與者都是理性經濟人，市場交易價格由供給和需求決定。

(2)研究的范圍局限于一國的電力市場，既不涉及國際市場對其可能產生的影響，也不考慮電力和綠色證書的跨境交易。

(3)研究只考慮綠色證書交易現貨市場，不考慮遠期市場，綠色證書不可以存儲。

(4)單位電力與單位綠色證書相對應，即政府給可再生能源廠商頒發證書時，1單位可再生能源電力簽發1單位綠色證書。

1.經濟模型

在電力市場上，煤電廠商和可再生能源廠商同時進行電力生產，共同滿足消費者對電力的需求，電力市場上電力的需求函數為線性，即：

Pe=f-gQs=f-g(qcoal+qgreen)

(1)

式中，Pe表示電力價格；f、g表示需求函數中的經濟參數，f、g為常數，并且f和g都大于0；qcoal表示煤電發電量；qgreen表示可再生能源發電量。

當政府實施可再生能源配額制時，電力市場上對于煤電廠商和可再生能源廠商而言都需要承擔一定的配額比例。煤電廠商生產的電力為qcoal，根據其發電量可以注銷αqcoal單位的綠色證書。可再生能源廠商生產qgreen的電力，根據其發電量應獲得(1-α)qgreen單位的綠色證書。在綠色證書交易市場上，可再生能源廠商在滿足自身需求的同時將多余綠色證書進行交易，可以獲得的收益為(1-α)qgreenPc。煤電廠商作為綠色證書的需求者，為完成政府規定的配額比例，需要購買的綠色證書數量至少為αqcoal，相應的支出費用為αqcoalPc。

第一，煤電廠商的生產決策原則為：

(2)

煤電廠商的生產成本是生產數量的線性函數，即：

Ccoal=ccoalqcoal+fcoal

(3)

式(2)中qcoal、Pe與前文定義相同；Wcoal表示煤電廠商的利潤；ccoal表示煤電廠商的長期邊際成本；fcoal表示煤電廠商的固定成本；Pc表示綠色證書價格；α表示政府相關部門設定的強制配額比例，而且α∈[α0,α1]，其中α0為比例下限，α1為比例上限，為政策性變量。

第二，可再生能源廠商的生產決策原則為：

s.t.qgreen≥0

(4)

可再生能源廠商的成本是生產數量的線性函數，即：

Cgreen=cgreenqgreen+fgreen

(5)

式(4)(5)中qgreen、Pe、α、Pc與前文定義相同；Wgreen表示可再生能源廠商的利潤；cgreen表示可再生能源廠商的長期邊際成本；fgreen表示可再生能源廠商的固定成本。

第三，根據利潤最大化的原理，由一階條件可以得出煤電廠商的反應函數qcoal：

(6)

可再生能源廠商是在已知煤電廠商反應函數的基礎上決定利潤最大化產量，所以將式(6)代入式(4)可得寡頭市場煤電廠商的均衡產出qcoal和可再生能源廠商的均衡產出qgreen，分別是：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

通過對上述公式進行分析，可以發現當綠色證書交易市場達到均衡時，均衡價格和均衡數量主要與四個因素有關，分別是配額比例、煤電廠商的成本、可再生能源廠商的成本和市場對電力的需求。由此可見，綠色證書交易市場和電力市場之間存在著十分密切的關系，電力市場的運作會影響綠色證書交易市場的均衡，綠色證書交易市場的運作會決定電力市場中廠商的行為決策。

政府相關部門設定可再生能源配額比例下限是為了保證綠色證書交易市場的效率以及電力市場和綠色證書交易市場交互作用的有效性和穩定性。綠色證書的交易價格不能為負。

(15)

政府相關部門確定的煤電廠商和可再生能源廠商的配額比例為：

(16)

同時對于未完成配額的廠商的罰金F應該高于綠色證書的均衡價格，即：

(17)

第五，政府實施可再生能源配額制，電力市場和綠色證書交易市場之間存在著較強的相互作用，當電力和綠色證書交易市場同時達到均衡時，煤電廠商和可再生能源廠商的發電量分別為：

(18)

(19)

電力市場總發電量Qs為：

(20)

此時電力價格Pe為：

(21)

通過分析上述公式可以看出，政府實施可再生能源配額制時，當電力市場和綠色證書交易市場同時達到均衡時，煤電廠商和可再生能源廠商的發電量、總發電量以及電力價格都與配額比例有關。煤電廠商和可再生能源廠商進行綠色證書交易，不僅可以使可再生能源廠商生產成本在行業內進行分攤，而且有利于實現煤電廠商生產負外部性的內部化。

2.系統動力學模型

建立系統動力學模型的目的是研究綠色證書交易市場的運行機制，綠色證書交易市場對電力市場的影響機理，綠色證書交易市場與電力市場的耦合作用，因果回路圖和存量流量圖如圖2、圖3所示。

圖2 綠色證書和電力交互市場因果回路圖

三 模擬仿真

通過理論推導和系統動力學建模，可以發現影響綠色證書交易市場和電力市場的因素有很多。本文以2020年為基期，設定時間步長為1個月，模擬時間為120個月(約為10年)。使用Vinsim軟件模擬綠色證書交易市場的運行機制，綠色證書交易市場與電力市場的耦合作用。

(一)發電廠商運行機制分析

1.煤電廠商

煤電廠商運行機制如圖4所示，煤電建設計劃受煤電廠商利潤空間的影響，可再生能源配額制的實施在短期內會造成煤電廠商的利潤空間下降，此時煤電廠商為了維持利潤會減少煤電建設量。隨著煤電廠商戰略的調整和可再生能源配額制的穩定實施，長期內煤電廠商的利潤會上升之后趨于平穩，此時煤電建設計劃也表現出同樣的變化趨勢。煤電建設涉及的工程建設周期較長，導致煤電新增裝機容量相比于煤電建設計劃呈現出遞延的趨勢，但是整體走勢是大致相同的。煤電累計裝機容量取決于新增裝機容量和初始裝機容量，因為初始裝機容量不變同時新增裝機容量緩慢上升，所以煤電累計裝機容量的變化趨勢為逐年上升。煤電發電量=煤電累計裝機容量×煤電設備年利用小時數，因此煤電發電量總體是上升的趨勢。

圖3 綠色證書和電力交互市場存量流量圖

圖4 煤電廠商運行機制注：主坐標軸為折線圖，次坐標軸為柱狀圖。

2.可再生能源廠商

可再生能源廠商運行機制如圖5所示，可再生能源建設計劃取決于可再生能源廠商的利潤空間，可再生能源配額制的實施在短期內會造成可再生能源廠商的利潤空間上升，此時可再生能源廠商為了獲取更多的利潤會加大建設量。隨著綠色證書交易市場的調整，可再生能源廠商的利潤會波動下降最后趨于平穩，之后由于廠商戰略的調整及可再生能源配額制的平穩實施，可再生能源廠商的利潤空間會逐年上升最后趨于平穩。此時可再生能源建設計劃也表現出同樣的變化趨勢。可再生能源建設涉及的工程建設周期較長，導致可再生能源新增裝機容量相比于可再生能源建設計劃呈現出遞延的趨勢，但是變化趨勢是大致相同的。由于可再生能源累計裝機容量=新增裝機容量+初始裝機容量，初始裝機容量保持不變同時新增裝機容量呈現緩慢上升的趨勢，所以可再生能源累計裝機容量的變化趨勢為逐年上升。同時由于可再生能源發電量取決于可再生能源累計裝機容量和可再生能源設備年利用小時數，所以可再生能源發電量的變化趨勢為逐年上升。

(二)市場分析

1.綠色證書交易市場

可再生能源配額制的實施在電力市場的基礎上衍生出了綠色證書交易市場，煤電廠商和可再生能源廠商都需要承擔一定的可再生能源配額比例，可再生能源廠商作為綠色證書的供給者，同時煤電廠商作為綠色證書的需求者。發電廠商在綠色證書交易市場上根據綠色證書基準價格，可再生能源配額比例和罰金等參數確定期望的綠色證書購買量和銷售量。然后在市場上進行交易，市場均衡時獲得綠色證書的市場價格和交易數量。可再生能源廠商持有的綠色證書量取決于可再生能源發電量，所以呈現逐年上升的趨勢。煤電廠商持有的綠色證書量在開始一段時間內是負值，但是通過與可再生能源廠商交易，持有綠色證書量會逐年上升。為了完成配額目標，煤電廠商會在綠色證書交易市場上購買綠色證書，所以期望的綠色證書購買量與煤電廠商持有的綠色證書量呈現相反的變化趨勢。可再生能源廠商在完成配額目標的基礎上會有多余的綠色證書可供交易，因此期望的綠色證書銷售量與可再生能源廠商持有的綠色證書量變化趨勢相同，但是期望的綠色證書銷售量小于可再生能源廠商持有的綠色證書量。短期內，綠色證書價格變化趨勢為從價格下限逐漸上升到基準價格之后保持不變，如圖6所示。

圖6 綠色證書交易市場注：主坐標軸為折線圖，次坐標軸為柱狀圖。

2.電力市場

電力供給取決于可再生能源發電量和煤電發電量，由于煤電發電量和可再生能源發電量的變化趨勢相同，都為逐年上升，所以電力供給整體走勢為逐年上升。電力需求作為外生變量，由電力市場中的消費者決定，一般呈現出逐年遞增的趨勢。當電力供給等于電力需求，電力市場達到均衡時，可以得出電力價格。電力價格總體走勢大致分為三個階段。前4個月，對于電力價格而言變化趨勢是從基準價格逐漸下降到價格下限，但是對于綠色證書價格而言是從價格下限逐漸上升到基準價格，此結果符合基本經濟學中綠色證書價格與電力價格呈現負相關關系的認知。雖然在電力市場上獲得的收益減少，但是減少的部分可以通過綠色證書市場獲得的補貼來彌補。因此，綠色證書價格和電力價格能夠維持綠色證書市場和電力市場的相對穩定，并促使兩個市場通過市場本身的交互作用達到均衡。第5個月至第20個月期間，電力價格一直維持價格下限不變，綠色證書一直維持在價格上限不變。第21個月之后，電力價格大幅度上升，到價格上限后，經歷波動最終趨于平穩，如圖7所示。

圖7 電力市場

(三)電力結構分析

由表1、圖8和圖9可知，煤電發電量和可再生能源發電量未來10年的走勢為先下降然后緩慢上升，總體來說煤電發電量會小于可再生能源發電量。隨著可再生能源配額制的實施，中國的電源結構呈現出煤電發電量占比減少和可再生能源發電量占比增加的趨勢，到2027年以后，電源結構會趨于穩定，每年只有小幅度的波動。通過上述分析可知，可再生能源配額制的實施能夠有效地解決現階段中國電源結構不合理和傳統能源短缺的問題，可再生能源發電量的增加和煤電發電量的減少能夠有效減少二氧化碳的排放，實現中國的碳減排目標。

四 建 議

實施可再生能源配額制同時建立綠色證書交易市場，不僅有助于降低政府管理成本，更好地建立公平競爭的市場化機制，而且可以更好地體現可再生能源電力的市場價值，為各類可再生能源發電提供銷售渠道，降低可再生能源發電的成本。為了促進可再生能源長期可持續發展，落實可再生能源配額制，需要進一步建立和完善以下措施。

表1 煤電發電量和可再生能源發電量對比

圖8 可再生能源發電量與煤電發電量趨勢圖

圖9 可再生能源發電量占比與煤電發電量占比趨勢圖

(一)政府在實施可再生能源配額制時應該考慮綠色證書交易市場運行的實際情況和不足之處，在此基礎上制定與可再生能源配額制相關的激勵政策，鼓勵發電廠商進行綠色證書交易，從而實現中國可再生能源產業發展的強制性制度變遷。電價市場化可以有效刺激發電廠商交易綠色證書，增強市場的流動性，促進可再生能源產業的發展。

(二)政府需要設定合理的綠色證書交易市場基礎參數，保證綠色證書交易的正常運行，加大發電廠商的市場參與度，提高綠色證書交易效率。同時出臺相關政策鼓勵發電廠商進行技術創新，技術創新有利于降低生產成本，提高競爭優勢，促進廠商交易綠色證書。綠色證書交易市場在運行過程中與電力市場不易同時達到均衡，所以該政策的實施應該逐步穩健地進行。

(三)綠色證書交易市場的發展可以實行市場決定與政府調節相結合的發展策略：一方面，要繼續堅持市場在綠色證書交易中的決定性作用，運用供求機制、競爭機制和價格機制等手段促進綠色證書交易市場的有效運行。另一方面，充分發揮政府的調節和輔助作用，政府應制定適合市場健康有效運行的法律法規，彌補由于市場自身局限所帶來的壟斷、信息不對稱和外部性等市場失靈，不斷完善市場環境。